弹体侵彻陶瓷/纤维织物复合靶体研究进展综述

韩 冰

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)



弹体侵彻陶瓷/纤维织物复合靶体研究进展综述

韩 冰

(解放军理工大学国防工程学院，江苏 南京 210007)

介绍了陶瓷/纤维织物复合材料密度低、硬度高、耐高温、耐腐蚀等优点，从实验、数值模拟和理论研究三方面，综合论述了国内外近二十多年来关于陶瓷纤维织物复合材料的抗冲击侵彻问题的研究成果，为陶瓷材料抗侵彻问题的深入研究提供参考。

陶瓷复合靶体，JH本构模型，纤维材料，侵彻深度

1 国内外研究现状

1.1 陶瓷/纤维织物复合材料

纤维材料具有高强度、高模量以及低密度和耐高温等优异的物理、化学和力学性能，同时在弹体高速侵彻作用条件下，高性能纤维材料的拉伸与断裂能吸收弹体大量的冲击能，因此纤维材料在装甲设计日趋轻型化的实战要求下越来越受到人们的关注和青睐，其材料组成的多样化也使其在防弹复合材料上具有更加广阔的应用前景。

已有对陶瓷纤维复合靶体的研究主要集中在以下几个方面：1)在给定靶体整体厚度或面密度的基础上，通过改变前后靶板厚度比来提高靶体弹道性能；2)粘结层材料对靶体整体弹道性能的影响；3)弹体正侵彻与斜侵彻靶体的对比；4)其他因素，如固有缺陷等对靶体弹道性能的影响。

1.2 实验研究

两靶板之间的夹层会显著改变应力波的传播性质从而导致整个靶体弹道性能的改变。Tasdemirci等[1]对橡胶、聚四氟乙烯和泡沫铝三种夹层材料对陶瓷纤维复合靶体弹道性能的影响进行了实验研究。实验得出：橡胶夹层对减少应力传递没有太大作用；当无夹层或有橡胶夹层时，陶瓷面板的破坏高度集中在弹体作用区域，且多呈现大块破裂；聚四氟乙烯和泡沫铝夹层大幅减少了应力传递，使陶瓷破坏区域呈放射状延伸，且陶瓷靶板呈碎片状破坏。

Hetherington等[2]研究了弹体侵彻陶瓷纤维复合靶体中的能量吸收问题。对于陶瓷/玻璃纤维复合靶体，设计了12组M33球形弹侵彻实验。通过实验得到了靶体能量吸收量与面密度之间的关系，提出了靶体单位面密度能量吸收量的概念，并得到了它与前后靶板厚度比之间的关系。

1.3 理论分析

Feli等[3]对钝头弹侵彻陶瓷/多层平面编织纤维复合靶体进行了理论研究。对Chocron-Galvez理论模型进行了一系列修正，新的理论模型可以得到弹体的速度时程、残余速度和侵彻深度等数据。

Chocron等[4]对弹体侵彻陶瓷纤维复合靶体给出了一种新的理论分析模型。模型将侵彻过程分为三个阶段：陶瓷靶板完整阶段、陶瓷靶板破裂和纤维靶板初始响应阶段、纤维响应和破坏阶段。结合模型假设，对弹体、陶瓷靶板和纤维靶板在侵彻过程中的速度或能量变化以及相互之间的应力应变关系给出了一系列简明计算公式。基于能量分析，给出了破坏常数R的概念。理论分析结果与实验数据比较，两者就弹体残余速度和残余长度而言吻合较好；与数值模拟结果作比较，除弹体以接近弹道极限速度侵彻靶体外，两者就弹体残余速度而言吻合较好。

Ben-Dor等[5]对弹体侵彻陶瓷纤维复合靶体进行了分析优化，在给定靶体面密度的情况下，通过对靶板厚度的优化得到弹道极限速度的最大值。引入无量纲分析，得到弹道极限速度的最优解是两个无量纲变量的函数，并且给出了在给定面密度的情况下陶瓷靶板厚度以及弹道极限速度的最优解。同时发现当靶板厚度在最优解附近一定范围内取值时，并不会影响靶体整体的防护性能。

1.4 数值模拟研究

Krishnan等[6]利用有限元模型对陶瓷纤维复合靶体抗弹体侵彻作用进行了数值模拟。研究首先揭示了陶瓷靶板的破坏机理，即当弹体作用在陶瓷靶板表面时，会产生在靶板内传播的压缩波，这些压缩波传递到陶瓷靶板与纤维复合材料靶板的交界面时会以拉伸波的形式反射，当拉伸波的强度大于材料的动态抗拉强度时，放射状裂纹就会在陶瓷靶板底部产生，同时在弹体作用区域会从上至下形成一个圆锥体破裂面。当陶瓷靶板与柔性材料靶板结合时，部分压缩波也会传递到柔性材料上，压缩波传递量与柔性材料的机械阻抗和粘结层厚度有关。在模型选择方面，用四面体元对弹体进行啮合，用八节点六面体单元对陶瓷材料进行啮合，用JH-2模型描述陶瓷材料的力学性质，通过侵深测试来修正JH-2模型的材料强度和破坏参数；一种自定义的非线性正交模型用来对纤维材料靶板进行模拟并假设在垂直靶板厚度方向的平面内，材料性质具有各项同性；数值模拟中，在保持靶体面密度相同的情况下，给出三种不同的陶瓷和纤维复合材料配置方法，结果显示靶体的防护作用随陶瓷材料占比的下降而下降，当陶瓷材料占比达到70%时，弹芯动能的75%在侵彻陶瓷靶板时被耗散。

Hassan等[7]用有限元方法对靶体在弹体高速侵彻作用下的弹道性质进行了研究。在LS-DYNA3D中为陶瓷、橡胶、复合材料和弹体材料选择材料模型。实验中，使用质量为14.0 g的破片模拟弹，弹体冲击初速为610 m/s。通过数值模拟发现动能下降的速率高于内能增加的速率。由于靶体在弹体作用区域范围内发生了质量损耗，因此靶体系统总能量下降。分析法向应力，发现法向应力最大值处不在弹体顶端，而在接近弹体侵彻造成孔洞的边缘处，三种材料有各自的法向应力峰值，陶瓷面板内的法向应力最大，同时得出橡胶与复合材料交界面始终承受法向压应力。

Ong等[8]对单兵装甲进行了数值模拟和实验研究，实验中以AISI40钢板作为参照靶体，此外设计了两种靶体，一是陶瓷/超强聚乙烯纤维Dyneema HB25复合靶体，二是陶瓷/超强聚乙烯纤维Dyneema HB25/聚氨酯PI/铝板复合靶体。弹体为圆柱形，弹长25.4 mm，弹径7.49 mm。使用AUTODYN进行数值模拟，模拟中，首先用A2钢芯弹侵彻AISI40钢板，弹体初速484 m/s，钢板厚度5 mm，发现弹体完全贯穿钢板，残余速度137 m/s，比实验结果118 m/s略大；用同种弹体侵彻第一种复合靶体，弹体初速483 m/s，模拟结果显示弹体在0.32 ms后速度降为0，Dyneema纤维材料出现分层和明显的变形，但未出现剪切破坏；对第二种靶体进行模拟，弹体在0.20 ms后速度降为0。PI泡沫板完全破裂，Dyneema纤维材料分层，陶瓷板出现脆性破裂。

Tan[9]对预先存在分层现象的陶瓷纤维复合靶体进行了数值模拟研究。设置四种靶体情况，分别是无分层现象和分层处距离Kevlar背靶板前端0 mm，1 mm，7 mm。通过数值模拟得到了弹道极限速度Vbl、背靶板最大形变量MAXBFD与分层尺寸、弹体直径和粘结层厚度之间的关系。数值模拟结果显示：1)Vbl值随δv，Rv和Lv值的减小而增大，MAXBFD值随δv和Rv值的减小而减小，随Lv值的增大而减小；2)对于相同质量的钢芯弹，弹径越大时侵彻导致Vbl值越大而MAXBFD值减小；3)粘结层厚度的减小会使得Vbl值增大、MAXBFD值减小。

2 工作展望

在对国内外近二十多年来关于陶瓷纤维织物复合材料的抗冲击侵彻问题的研究成果进行归纳总结后，下一步拟针对长杆弹高速侵彻陶瓷纤维复合靶体开展数值模拟研究。为确定各类陶瓷材料的JH模型参数，一个至关重要的环节就是结合弹塑性力学理论确定陶瓷材料在准静态实验条件下的各类参数，通过加载卸载实验得到JH-2模型中等效应力与压力的关系曲线以及压力与体应变的关系曲线等。在此基础上再对参数敏感性进行讨论，对现有参数进行适当修正使其更加符合弹道实验实际。

[1] Tasdemirci A,Tunusoglu G,Güden M.The effect of the interlayer on the ballistic performance of ceramic/composite armors:Experimental and numerical study[J].Int.J.Impact.Eng,2012(44):1-9.

[2] Hetherington J G,Rajagopalan B P.An investigation into the energy absorbed during ballistic perforation of composite armours[J].Int.J.Impact.Eng,1991,11(1):33-40.

[3] Feli S,Yas M H,Asgari M R.An analytical model for perforation of ceramic/multi-layered planar woven fabric targets by blunt projectiles[J].Composite Structures,2011(93):548-556.

[4] Chocron Benloulo I S,Sánchez-Gálvez V.A new analytical model to simulate impact onto ceramic/composite armors[J].Int.J.Impact.Eng,1998,21(6):461-471.

[5] Ben-Dor G,Dubinsky A,Elperin T.Optimization of two-component composite armor against ballistic impact[J].Composite Structures,2005(69):89-94.

[6] Krishnan K,Sockalingam S,Bansal S,et al.Numerical simulation of ceramic composite armor subjected to ballistic impact[J].Composites:Part B,2010,41(8):583-593.

[7] Mahfuz Hassan,Zhu Y H,Haque Anwarul,et al.Investigation of high-velocity impact on integral armor using finite element method[J].Int.J.Impact.Eng,2000,24(2):203-217.

[8] Ong C W,Boey C W,Robert S Hixson,et al.Advanced layered personnel armor [J].Int.J.Impact.Eng,2011,38(5):369-383.

[9] Tan P.Numerical simulation of the ballistic protection performance of a laminated armor system with pre-existing debonding/delamination[J].Composites:Part B,2014(59):50-59.

Review on the research process of projectile penetration ceramic / fiber fabric composite target

Han Bing

(National Defense Engineering School, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

This paper introduced the low density, high hardness, high temperature resistance, corrosion resistance and other advantages of ceramic fiber fabric composite material, from the experiment, numerical simulation and theoretical research three aspects, comprehensively discussed the research results of anti impact penetration problems of ceramic fiber fabric composite material domestic and international recent more than and 20 years, provided reference for further research on ceramic material anti penetration problem.

ceramic composite target, JH constitutive model, fiber material, penetration depth

1009-6825(2017)08-0118-03

2017-01-06

韩 冰(1992- )，男，在读硕士

TU531

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